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一文了解以太坊的終極擴容方案:rollups

rollups是什么?Optimism和ZK rollups有什么區別?Arbitrum與Optimism有何不同?為什么在擴展以太坊時,rollup被認為是圣杯?你將在本文中找到這些問題的答案。

介紹

以太坊擴展一直是加密貨幣領域討論最多的話題之一。在2017年CryptoKitties熱潮、2020年DeFi盛夏或2021年初加密貨幣牛市等網絡活動頻繁的時期,關于以太坊擴容的爭論通常都會升溫。

在這些時期,用戶對以太坊網絡的空前需求導致了極高的gas費用,從而使得用戶會在日常支付非常昂貴的交易費用。

為了解決這個問題,對于多個團隊和整個以太坊社區來說,尋找最終的擴展性解決方案一直是最優先考慮的問題之一。

一般來說,有3種主要的方法來擴展以太坊或其他大多數區塊鏈:擴展區塊鏈本身——第1層擴展;在第1層之上進行搭建——第2層擴展方案以及在第1層網絡的側鏈進行搭建。

當提到第1層網絡時,Eth2是擴展以太坊區塊鏈的可選擇解決方案。Eth2指的是一組相互關聯的變化,例如遷移到權益證明(PoS),將工作量證明(PoW)區塊鏈的狀態合并到新的PoS鏈和分片中。

特別是分片,它可以顯著增加以太坊網絡的吞吐量,特別是當它與rollup結合時。

如果你想了解更多關于Eth2的信息,你可以在這里查看這篇文章。

當涉及到第1層之外的擴展時,開發者們已經嘗試了多種不同的擴展解決方案,但結果是將不同的解決方案混合使用的。

一方面,我們有像Channels這樣的第二層解決方案,它們由以太坊完全保護,但只適用于特定的應用程序集。

另一方面,側鏈通常是與以太坊虛擬機(EVM)兼容的,它可以擴展通用應用程序。它們的主要缺點是不依賴以太坊的安全性,而是擁有自己的共識模型,因此其安全性不如第二層解決方案。

大多數rollups的目標是通過創建一個通用的可擴展解決方案,同時仍然完全依賴以太坊的安全性,從而實現這兩者結合的最佳效果。

這是擴展的圣杯,因為它允許在不犧牲安全性的情況下,在以太坊上部署所有現有智能合約,幾乎或沒有變化。

難怪rollups可能是所有解決方案中最受期待的擴展方案。

但是,什么是rollups呢?

rollups

rollups是一種可擴展的解決方案,其工作原理是在第1層之外執行交易,但在第1層上發布交易數據。這使得rollups可以擴展網絡,并且仍然從以太坊共識中獲得安全性。

將計算移出鏈,實際上可以處理更多的交易,因為rollups交易的部分數據必須要適合以太坊的區塊。

為了實現這一點,rollups交易在單獨的鏈上執行,該鏈甚至可以運行特定于rollups的EVM版本。

執行rollups交易后的下一步是將它們批處理在一起,并將它們發布到主以太坊鏈。

整個過程本質上是執行交易、獲取數據、壓縮數據并以單個批的形式將其上卷到主鏈,因此稱為“rollups”。

雖然這看起來是一個潛在的好解決方案,但接下來自然會出現一個問題:

“以太坊如何知道發布的數據是有效的,并不是由一個試圖讓自己受益的作惡參與者提交的?”

確切的答案取決于特定的rollups實現,但一般來說,每個rollups在第1層部署一組智能合約,負責處理充值和提現以及驗證證明。

證明也是不同類型rollups的主要區別發揮作用的地方。

Optimism的rollups使用欺詐證據(fraud proof)。相比之下,ZK rollups使用有效性證明(validity proof)。

讓我們進一步研究這兩種類型的rollups。

Optimism和ZK rollups

Optimism rollups將數據傳到到第1層,并假設它是正確的,因此命名為“Optimism”。如果發布的數據是有效的,那么我們就在正確的處理路徑上,不需要做任何其他事情。Optimism rollups得益于在Optimism場景中不需要做任何額外的工作。

在無效交易的情況下,系統必須能夠識別它,恢復正確的狀態,并懲罰提交此類交易的一方。為了實現這一點,Optimism的rollups實現了一個爭議解決系統,該系統能夠驗證欺詐證明,檢測欺詐交易,并抑制不良行為者提交其他無效交易或不正確的欺詐證明。

在大多數Optimism的rollups實現中,能夠向第1層提交批量交易的一方必須提供一個擔保,通常以ETH的形式。任何其他網絡參與者如果發現一個不正確的交易都可以提交欺詐證明。

在提交欺詐證明后,系統進入爭議解決模式。在這種模式下,可疑的交易再次在以太坊的主鏈上執行。如果執行證明交易確實是欺詐性質的,那么提交該交易的一方將受到懲罰,通常是通過削減其提供擔保的ETH來完成。

為了防止不良行為者用錯誤的欺詐證據在網絡上濫發信息,希望提交欺詐證據的各方通常還必須提供一份擔保。

為了能夠在第1層上執行rollups交易,Optimism rollups必須實現一個系統,該系統能夠以交易最初在rollups中執行時的確切狀態重播交易。這是Optimism rollups的復雜部分之一,通常通過創建一個單獨的管理器合約來實現,該合約用rollups中的狀態替換某些函數調用。

值得注意的是,即使只有一個誠實方監視rollups的狀態并在需要時提交欺詐證明,系統也可以按預期工作并檢測欺詐。

值得一提的是,由于在rollups系統中有正確的激勵機制,進入爭議解決過程應該是一種例外情況,而不是經常發生的事情。

而ZK rollups是沒有任何爭議解決方案的。它是通過利用一種稱為零知識證明的加密技術而實現的,因此也被稱為ZK rollps。在這個模型中,發布到第1層的每一批都包含一個名為ZK-SNARK的加密證明。當交易批被提交時,第1層合約可以快速驗證證明,無效的交易可以直接被拒絕。

這聽起來很簡單吧?在實踐中,許多研究人員花了無數時間來對這些密碼學和數學進行迭代。

在Optimism和ZK rollups之間還有其他一些區別,所以讓我們一個一個地介紹它們。

由于爭議解決過程的性質,Optimism rollups必須給所有網絡參與者足夠的時間提交欺詐證明,然后在第1層完成交易。這段時間通常很長,以確保即使在最壞的情況下,欺詐性交易仍有爭議。

這導致從Optimism的rollups中提取資金需要很長時間,用戶甚至需要等待一到兩周才能將資金提現到第1層。

幸運的是,有一些項目正在通過提供快速的“流動性”來改善這種情況。這些項目幾乎可以將資金立即提現到第1層、第2層甚至側鏈,并收取少量費用。Hop協議和Connext是我們要研究的項目。

ZK rollups沒有長時間提現的問題,因為只要將rollups批處理和有效性證明提交到第1層,資金就可以提現了。

到目前為止,看起來ZK rollup只是Optimism rollup的一個更好的版本,但它們也有一些缺點。

由于該技術的復雜性,創建與EVM兼容的ZK rollups要困難得多,這使得在不重寫應用程序邏輯的情況下擴展通用應用程序變得更加困難。盡管如此,ZKSync在這一領域取得了重大進展,他們可能很快就能推出兼容EVM的ZK rollups。

在EVM兼容性方面,Optimism rollups稍微容易一些。他們仍然需要運行自己版本的EVM,只需要做一些修改,但99%的合約都可以在不做任何修改的情況下進行移植。

ZK rollups的計算量也比Optimism的rollups大得多。這意味著計算零知識證明的節點必須是高規格的機器,這使得其他用戶很難運行它們。

當涉及到擴展性改進時,這兩種類型的rollups都應該能夠將以太坊從每秒15到45筆交易(取決于交易類型)擴展到每秒1000到4000筆交易。

值得注意的是,通過為第1層上的rollups批提供更多的空間,系統將可能每秒可以處理更多的交易。這也是為什么Eth2可以通過rollups創建一個巨大的協同效應,因為它通過創建多個分片增加了可能的數據可用空間——每個分片都能夠存儲大量數據。Eth2和rollups的結合可以使以太坊的交易速度達到每秒10萬筆交易。

現在,讓我們討論所有在Optimism和ZK rollups上工作的不同項目。

Optimism rollups

當談到Optimism rollups時, Optimism和Arbitrum是目前最流行的選擇。

目前,以太坊主網已經部分推出了Optimism,合作伙伴包括Synthetix或Uniswap,以確保該技術在全面發布前能夠按照預期工作。

Arbitrum已經在主網上部署了自己的版本,并開始在它的生態系統中加入不同的項目。他們決定給所有想要發布協議的協議一個時間窗口,而不是讓流動性提供者首先部署他們的協議。當這段時間結束后,他們將一次性向所有用戶打開大門。

在Arbitrum上推出的一些最著名的項目有Uniswap、Sushi、Bancor、Augur、Chainlink、Aave等等。

Arbitrum公司最近還宣布了與Reddit的合作。他們將專注于推出一個單獨的rollups鏈,讓Reddit可以擴大他們的獎勵系統。

Optimism正在與MakerDAO合作,創建Optimism Dai橋,并使Dai和其他代幣能夠快速提現到第1層。

盡管Arbitrum和Optimism都試圖實現相同的目標——構建與EVM兼容的Optimism rollups解決方案——但它們的設計存在一些差異。

Arbitrum有一個不同的爭議解決模式。他們想出了一個交互式多輪模型允許爭端的范圍縮小的,僅在第1層執行少量指令以檢查可疑事務是否有效,而不是在第1層上重新運行整個交易來驗證欺詐證據是否有效。

這也導致了一個副作用,即部署在Arbitrum上的智能合約可能會超過以太坊上允許的最大合約大小。

另一個主要區別是處理交易排序和礦工可提取價值(MEV)的方法。Arbitrum最初將運行一個負責對交易進行排序的排序器,但從長遠來看,他們希望將其去中心化。

Optimism傾向于另一種方式,即交易順序,以及MEV,它們可以在一段時間內拍賣給其他各方。

值得一提的是,還有一些其他的項目也在進行Optimism的rollups。Fuel,OMG團隊,OMGX和Cartesi等等。他們中的大多數人還試圖開發與EVM兼容的rollups版本。

ZK rollups

盡管看起來以太坊社區主要專注于Optimism的rollups,但至少在短期內,我們不要忘記ZK rollups項目也進展得非常快。

使用ZK rollups,我們有一些可用的選項。

Loopring使用ZK rollups技術來擴展其交換和支付協議。

Hermez和ZKTube正在使用ZK rollups擴展支付,Hermez還建立了一個EVM兼容的ZK rollups。

Azgtec正專注于將隱私功能引入他們的ZK rollups技術。

基于starkware的rollups已經被DeversiFi、Immutable X和dYdX等項目廣泛使用。

正如我們前面提到的,ZKSync正在開發一個與EVM兼容的虛擬機,該虛擬機將能夠完全支持任何用Solidity編寫的智能合約。

總結

正如我們所看到的,在Optimism和ZK rollups陣營中都有很多事情正在發生,不同rollups之間的競爭將是值得關注的。

rollups對DeFi也有很大的影響。以前由于交易費用高而無法在以太坊上交易的用戶,將能夠在下一次網絡活動高的時候留在生態系統中。它們還將催生一種新的應用程序,要求更便宜的交易和更快的確認時間。所有這些都得到了以太坊共識的充分保障。看來rollups可能會觸發DeFi的另一個高增長時期。

然而, rollups仍然存在一些挑戰。

可組合性就是其中之一。為了組合使用多個協議的交易,所有協議都必須部署在同一個rollups中。

另一個挑戰是流動性枯竭。例如,如果沒有新的資金進入整個以太坊生態系統,那么存在于第一層協議(如Uniswap或Aave)上的現有流動性將在第一層和多個rollups之間實現共享。較低的流動性通常意味著更高的滑點和更糟糕的交易執行。

這也意味著自然會有贏家和輸家。目前,現有的以太坊生態系統還不夠大,無法使用所有的擴展解決方案。從長期來看,這種情況可能會改變,但在短期內,我們可能會看到一些rollups和其他擴展解決方案變得沒人使用。

在未來,我們可能還會看到用戶完全生活在一個rollups生態系統中,在很長一段時間內不與主以太坊鏈和其他可擴展解決方案進行交互。如果我們將看到更多中心化的交易所能夠實現直接的充值和提現,那么這一點就會特別明顯。

盡管如此,rollups似乎是擴展以太坊的最終策略,相關的挑戰很可能會以某種方式得到緩解。看到rollups如何獲得越來越多的用戶,這顯然是非常有趣的。

在討論rollups時經常出現的一個問題是,它們是否對側鏈構成威脅。就我個人而言,我認為側鏈在以太坊生態系統中仍然有自己的位置。這是因為,盡管第2層的交易成本比第1層低得多,但仍有可能超過某些類型的應用,如游戲和其他高容量應用的價格。

當以太坊引入分片時,這種情況可能會改變,但到那時側鏈可能會創造足夠的網絡效應來長期生存。這在未來會如何發展將是一件很有趣的事情。

此外,rollups的費用高于側鏈,因為每個rollups批處理仍然需要支付以太坊塊空間。

值得記住的是,以太坊社區非常關注以太坊的擴展策略——至少在短期到中期,甚至可能更久。我建議閱讀Vitalik Buterin關于以rollups為中心的以太坊路線圖的文章。

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